混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的擬實(shí)研究.pdf

1、隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)各方面對(duì)高性能材料的需求越來(lái)越廣泛，單純的金屬或合金在很多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)無(wú)法滿足力學(xué)性能方面的要求。由于擁有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫和耐腐蝕性能，非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。復(fù)合材料由增強(qiáng)體和基體組成，增強(qiáng)體和基體的不同含量、形貌、分布等都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響。為了能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來(lái)計(jì)算現(xiàn)有復(fù)合材料的力學(xué)性能，并為將來(lái)預(yù)測(cè)不同增強(qiáng)體含量、形貌、分布的復(fù)合材料的力學(xué)性能，本文研究了一種新

2、的三維隨機(jī)有限元模型，可以用來(lái)模擬混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。并以(TiB+TiC)/Ti6242 鈦合金基混雜增強(qiáng)復(fù)合材料為例，做了如下研究： 1. 研究了混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，根據(jù)其微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并基于隨機(jī)序列吸附（RSA）方法，提出了短纖維和顆?；祀s增強(qiáng)的三維隨機(jī)有限元模型。該模型通過(guò)Visual C++編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)，可以直接導(dǎo)入通用有限元軟件生成位置及取向隨機(jī)分布的多纖維多顆粒的代表體積單胞模型；同

3、時(shí)可以根據(jù)模擬的不同的復(fù)合材料，對(duì)短纖維和顆粒增強(qiáng)體的含量，及短纖維增強(qiáng)體的長(zhǎng)徑比，取向分布規(guī)律等進(jìn)行任意調(diào)整，可適合各種不同的混雜增強(qiáng)或單獨(dú)增強(qiáng)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的模擬。 2. 利用上述模型，對(duì)原位合成TiB 纖維和TiC 顆粒混雜增強(qiáng)的鈦合金基復(fù)合材料(TiB+TiC)/Ti6242 進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)增強(qiáng)體體積含量為8％，纖維狀增強(qiáng)體按標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的模型模擬加載，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，證明該模型對(duì)混雜增強(qiáng)的復(fù)合材料的模擬較為精

4、確，計(jì)算得復(fù)合材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度同拉伸實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果一致。同時(shí)，模擬結(jié)果表明，在纖維狀增強(qiáng)體中，平行于加載方向的增強(qiáng)體承載了最大的應(yīng)力，而與加載方向約呈45 度角的增強(qiáng)體承受的應(yīng)力最??；顆粒狀增強(qiáng)體承受的應(yīng)力相比平行于加載方向的纖維狀增強(qiáng)體要小很多；基體中應(yīng)力在加載方向上靠很近的增強(qiáng)體之間較高。 3. 模擬了不同增強(qiáng)體含量（3％和8％）對(duì)復(fù)合材料整體力學(xué)性能的影響，結(jié)論同拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致，即，增強(qiáng)體含量的增加，將使復(fù)合材料

5、的彈性模量和屈服強(qiáng)度提高，并推測(cè)其延伸率下降；同時(shí)研究了纖維狀增強(qiáng)體取向分布規(guī)律對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，分別模擬了纖維狀增強(qiáng)體按照σ=0.5、σ=1.0、σ=2.0正態(tài)隨機(jī)分布及三維均勻隨機(jī)分布的單胞模型；其中與真實(shí)(TiB+TiC)/Ti6242 復(fù)合材料形貌最接近的，按照σ=0.5正態(tài)隨機(jī)分布的單胞模型，計(jì)算得到的彈性模量和屈服強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也一致。 4. 作為對(duì)照，這里采用三種不同排布的軸對(duì)稱模型同樣模擬了增強(qiáng)體體積含量